金属-Kitaev自旋液体—超导体隧道效应

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量子自旋液体态由于其内部存在奇异的电子激发,如:马约拉纳(Majorana)费米子、劳夫林(Laughlin)准粒子以及非阿贝尔(non-Abelian)任意子等,吸引了人们广泛的注意;其中非阿贝尔任意子被认为是进行量子计算和存储的最佳对象,具有极大的应用前景。但是由于量子自旋液体态没有长程序参量,所以无论是理论还是实验对量子自旋液体的研究都困难重重。理论上,对量子自旋液体的本质仍然没有达成共识;实验上,虽然中子散射等技术被广泛用于探测实际中可能存在自旋液体相的材料,但结果也存在较大争议。1983年,安德森(Anderson)提出自旋液体态可能是铜氧化物高温超导体的前驱体,因为自旋液体态中大的自旋涨落可以提供广泛的配对力。这说明研究自旋液体可能对理解高温超导机制具有巨大影响。2006年,Kitaev提出一种严格可解的自旋液体模型,它为人们研究自旋液体态提供了很好的出发点。另一方面,近两年,有研究人员提出可以构建隧道结来探测自旋液体的性质,发现通过隧穿电流可以得到自旋液体的自旋关联谱,为测量实际材料中的自旋液体性质提供了新思路。基于此,本论文构造了以单层Kitaev材料为中间层的超导-金属/半金属隧道结模型。以此模型为出发点,对自旋液体材料的隧穿特性进行了深入研究。本论文首先在第一、二章介绍了量子自旋液体和阻挫系统的基本概念、格林函数以及线性响应技术。随后在第三章对Kitaev模型进行了相关介绍,包括它的能带和自旋关联函数;第四章本文构造了 Kitaev自旋液体隧道结模型,并对此模型的隧穿电流、电导及电导的导数进行了细致的研究。我们发现:1.隧穿电流和电导的谱隙为0.76K,这是由Kitaev自旋液体的自旋关联谱的谱隙ΔF=0.26K和超导能隙Δ=0.5K共同决定的。2.电导的导数d2I/dV2谱的谱隙、峰值和极小点的位置分别为eV=0.76K,eV=1.0K和eV=2.76K。通过对比Kitaev自旋液体的自旋关联函数谱和d2I/dV2曲线,我们发现除了有一个超导能隙Δ=0.5K的能量平移,它们的谱隙、峰值以及极小点的位置出现在对应相同的位置。3.在我们的隧道结模型中,两端电极的材质可以在金属、超导体和半金属之间选择,但结果并不会影响电导导数曲线的基本特性。表明自旋液体材料对隧道电流起调控作用。综上表明构造自旋液体材料的隧道结方法可以有效的对自旋液体进行探究,并且可被制作成为量子器件。最后一章是研究结果的总结和未来研究工作的展望。
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